本發(fā)明涉及二級懸河治理、游蕩性河道及灘區(qū)綜合提升治理，具體涉及一種二級懸河演變特征分析方法。

背景技術(shù)：

1、黃河水沙沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)。黃河的多泥沙特性使下游一直處于強烈的淤積狀態(tài)，河床平均每年抬高0.05～0.10m，現(xiàn)行河床一般高出背河兩岸地面4～6m，黃河下游因此成為舉世聞名的“地上懸河”。20世紀60年代以來，隨著三門峽水庫的建成運用以及生產(chǎn)堤的修建，黃河下游水沙關(guān)系變得極為不協(xié)調(diào)，下游河床持續(xù)淤積萎縮，致使主河槽逐漸高于臨堤灘地，形成了“槽高、灘低、堤根洼”的“二級懸河”。20世紀80年代中后期以來，黃河處于相對枯水期，下游徑流量減少，沿程工農(nóng)業(yè)用水大量增加，大洪水發(fā)生機率減小，洪水漫灘造成灘地淤積減少，小流量過程大大增加，改變了天然情況下的泥沙橫向淤積分布，從根本上改變了河道的泥沙橫向淤積部位，使灘槽高差進一步減小，“二級懸河”形勢異常嚴峻。

2、2000年小浪底水庫建成運用以來，進入下游的水沙過程發(fā)生明顯變化，下游河道在持續(xù)沖刷的條件下淤積情況有所減輕，但“槽高、灘低、堤根洼”的局面仍然存在，其中最嚴重的河段為東壩頭至陶城鋪河段。以小浪底水庫為核心的全河調(diào)水調(diào)沙在一定程度上減緩了二級懸河的發(fā)展，但小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙存在后續(xù)動力不足等問題，在小浪底水庫攔沙庫容淤滿后，若沒有其他骨干工程的投入使用，黃河下游將再次嚴重淤積抬高，已經(jīng)形成的中水河槽將快速萎縮，二級懸河也將快速發(fā)展。屆時，一旦發(fā)生較大洪水，在河道灘地橫比降遠大于縱比降的情況下，灘區(qū)過流比增大，增加主流頂沖堤防、產(chǎn)生順堤行洪、控導工程失去控導主流作用，甚至發(fā)生“滾河”的可能性，直接威脅黃河大堤安全，嚴重威脅灘區(qū)群眾生命財產(chǎn)安全。因此，研究二級懸河演變特征對于黃河下游防洪安全具有重要的工程意義。

3、長期以來，治黃工作者們圍繞二級懸河的形成原因展開了大量研究，認為二級懸河的發(fā)生、發(fā)展與河流的來水來沙條件以及河道邊界條件的變化密切相關(guān)。但是由于二級懸河治理中存在的問題爭議仍較多，一些重大問題和關(guān)鍵技術(shù)沒有研究清楚。因此，如何采取有效技術(shù)手段研究長時間系列下黃河下游二級懸河演變特征是目前亟需迫切解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種二級懸河演變特征分析方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種二級懸河演變特征分析方法，包括如下步驟：

4、s1:對長時間序列數(shù)據(jù)進行收集。

5、s2:通過泰爾—森斜率估算法對長時間序列數(shù)據(jù)進行趨勢分析，分別直接給出不同時期數(shù)據(jù)的趨勢性。

6、s3:通過小波分析方法對長時間序列數(shù)據(jù)的周期性進行判斷，通過對數(shù)據(jù)信號進行多尺度細化分析，對突變點進行嚴格的診斷，同時給出時間序列變化的位相和振幅兩方面信息。

7、進一步的，所述長時間序列數(shù)據(jù)為灘地橫比降。

8、進一步的，所述泰爾—森斜率估算法的計算公式如下：

9、

10、式中，median代表取中值；

11、xj,xi分別為對應時間j與時間i(j>i)時的樣本數(shù)據(jù)；

12、k為時間序列的趨勢程度參數(shù)，當k>0時，時間序列呈上升趨勢，k<0呈下降趨勢。

13、進一步的，所述小波分析方法采用的小波函數(shù)為complex?morlet(cmor)小波。

14、更進一步的，對滿足一定條件的小波函數(shù)ψ(t)，時間序列f(t)∈l2(r)的小波變換可通過下式計算：

15、

16、式中，wf(a,b)為小波變換系數(shù)；

17、f(t)為一個信號或可積函數(shù)；

18、a為延伸縮短的尺度因子；

19、b為時間序列的時間因子，反映序列在時間上的平移；

20、為的復共軛函數(shù)；

21、wf(a,b)是隨參數(shù)a和b變化的二元函數(shù)，以b為橫坐標，a為縱坐標，系數(shù)值為豎坐標。可以繪制三維曲面圖，小波分析通過在平面上繪制二維等值線圖來展示其投影，而小波變換則呈現(xiàn)為三維曲面圖和等值線圖，這些圖形反映了時間序列的時頻變化特征。當尺度a保持不變時，小波系數(shù)隨時間變化，揭示了時間序列在該尺度下的變化特征。對小波系數(shù)進行分析，可揭示時間序列在多個時間尺度下的周期性變化特征。

22、進一步的，cmor小波系數(shù)的實部反映了灘地橫比降時間序列在不同時間尺度范圍內(nèi)的周期性變化。而小波系數(shù)的模值則反映了不同時間尺度變化周期所對應的能量密度在時間域中的分布情況。模值較大的小波系數(shù)表明其對應的時間尺度在該時段具有較強的周期性，在三維曲面圖和等值線圖中呈現(xiàn)為暖色調(diào)。小波系數(shù)模的平方相當于小波能量譜，可用于分析不同周期的震蕩能量，并推斷不同時間尺度下周期性在時域中的表現(xiàn)。

23、進一步的，為了確定時間序列存在的主要時間尺度，可對小波系數(shù)模的平方在時間域上進行積分，從而得到小波方差：

24、

25、式中，wf(a,b)為小波變換系數(shù)。

26、進一步的，小波方差圖表示小波方差隨尺度a的變化過程，可以用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。極值點越大，說明對小波方差的貢獻越大，在該時間序列尺度上震蕩越強烈。根據(jù)小波方差檢驗的結(jié)果，繪制研究區(qū)域平灘流量的主周期趨勢圖，其反映了平灘流量第一主周期的小波系數(shù)變化過程，即在主周期的時間尺度下的平均周期以及準震蕩變化特征。

27、本發(fā)明所達到的有益效果為：

28、1、本發(fā)明利用泰爾－森斜率估算法和小波分析方法，對黃河下游二級懸河嚴重河段長時間序列下二級懸河演變趨勢及演變特征進行研究。泰爾—森斜率估算法可對長時間序列數(shù)據(jù)進行趨勢分析，分別直接給出不同時期數(shù)據(jù)的趨勢性；小波分析方法可對長時間序列數(shù)據(jù)的周期性進行判斷，通過對數(shù)據(jù)信號進行多尺度細化分析，對突變點進行嚴格的診斷，同時給出時間序列變化的位相和振幅兩方面信息的特點，使得對黃河下游長時間序列下二級懸河演變特征的分析更加準確。

29、2、本發(fā)明利用小波方差圖表示小波方差隨時間尺度的變化過程，用來確定信號中不同尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。極值點越大，說明對小波方差的貢獻越大，在該時間序列尺度上震蕩越強烈。主周期趨勢圖為根據(jù)小波方差檢驗的結(jié)果，繪制出的研究區(qū)域二級懸河演變的第一主周期小波系數(shù)變化過程，可以反映在主周期的時間尺度下存在的平均周期以及準震蕩變化特征；再利用小波系數(shù)實部等值線圖，驗證二級懸河演變的最強周期的結(jié)果。事實證明，該方法分析效果好，對二級懸河演變特征分析的可信度高。對于未來二級懸河治理、游蕩性河道及灘區(qū)綜合提升治理有著十分重要的理論意義和實踐價值。

技術(shù)特征：

1.一種二級懸河演變特征分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二級懸河演變特征分析方法，其特征在于：所述長時間序列數(shù)據(jù)為灘地橫比降。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二級懸河演變特征分析方法，其特征在于：所述泰爾—森斜率估算法的計算公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二級懸河演變特征分析方法，其特征在于：所述小波分析方法采用的小波函數(shù)為complex?morlet(cmor)小波。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種二級懸河演變特征分析方法，其特征在于：對滿足一定條件的小波函數(shù)ψ(t)，時間序列f(t)∈l2(r)的小波變換可通過下式計算：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種二級懸河演變特征分析方法，其特征在于：為了確定時間序列存在的主要時間尺度，可對小波系數(shù)模的平方在時間域上進行積分，從而得到小波方差：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及二級懸河治理、游蕩性河道及灘區(qū)綜合提升治理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二級懸河演變特征分析方法。包括如下步驟：S1:對長時間序列數(shù)據(jù)進行收集。S2:通過泰爾—森斜率估算法對長時間序列數(shù)據(jù)進行趨勢分析，分別直接給出不同時期數(shù)據(jù)的趨勢性。S3:通過小波分析方法對長時間序列數(shù)據(jù)的周期性進行判斷，通過對數(shù)據(jù)信號進行多尺度細化分析，對突變點進行嚴格的診斷，同時給出時間序列變化的位相和振幅兩方面信息。所述長時間序列數(shù)據(jù)為灘地橫比降。本發(fā)明利用泰爾－森斜率估算法和小波分析方法，分析效果好，對二級懸河演變特征分析的可信度高。對于未來二級懸河治理、游蕩性河道及灘區(qū)綜合提升治理有著十分重要的理論意義和實踐價值。

技術(shù)研發(fā)人員：許琳娟,曹永濤,李軍華,張向,張向萍,趙占超,張超凡,鄧春蕾,耿旭,張亞新,茹宏恩,韓沙沙,劉彥暉,鄭佳蕓,萬強,夏修杰,董其華,劉燕,張林忠,陳月君,朱振慧
受保護的技術(shù)使用者：黃河水利委員會黃河水利科學研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26